فهم التحديات الأساسية

ويستخدم جهاز الاستشعار الضوئي من خلال إطلاق شعاع خفيف من مادة الليزر أو الليزر وكشف انعكاسها أو نقلها أو انقطاعها لتحديد وجود سائل أو مستوى السائل، وفي السوائل الخماسية، يكون المسار الخفيف محدداً جيداً، وترتبط الإشارة الواردة ارتباطاً وثيقاً بالوصلة السائلة الفعلية، ولكن عندما تصبح الإشارة المتوسطة غير صالحة أو مضطربة، فإن المسار البصري يعطل في طرق الارتداد.

وتحتوي السوائل السائلة )أو العصيان( على الجسيمات الصلبة المعل َّقة، أو القذف، أو الكرابل التي تبعث وتستوعب الضوء، وتتوقف درجة التشت على حجم الجسيمات، والتركيز، ومؤشر الارتداد بالنسبة للسائل، مثلا، في معالجة المياه المستعملة، تتراوح كثافة الدودة المنشطة بين ١٠ و ١٠٠ ميكروغرام، وضوء مرئي بقوة.

فالتذبذب يُحدث طبقة أخرى من التعقيد، إذ أن الحركة السريعة والفوضوية تؤدي إلى تدفئة السطح السائل وتكوّن موجات، وأحياناً إلى حدوث تطفّل (فقاعات الهواء المُدرَّبة) وحتى في مجرى مركب لا يزال مسمّى، يمكن أن تخلق تدفقات مُقارنة تُغيّر المؤشر الفعّال للانبعاثات على طول الممر الخفيف، ثم تذبذبذبذبذبذبذبذبذبات في مستويات الإنتاج.

إن الأثر المشترك للاضطرابات والاضطرابات هو تأثير متعدد الجوانب: فالجزئات المتناثرة تعاد توزيعها باستمرار بسبب التدفق، وبالتالي فإن الصورة المتناثرة تتغير بسرعة، وبالتالي يجب أن يكون للمجس ليس فقط قوة بصرية بل أيضا القدرة على التمييز بين إشارة المستوى الحقيقي والضوضاء السريع والعالي.

Wavelength Selection for Improved Penetration

ومن أكثر الاستراتيجيات فعالية لمكافحة الاضطرابات اختيار موجة تشغيلية تقلل من الامتصاص والتشتت في السائل المعين، وتضاءل الضوء في وسط مضلل تقريباً يتبع قانون بير - لامبرت، حيث يقترب المعامل الاصطدام بشدة من الموجة المتوسطة، ويزداد طوله نحو الموجة المتوسطة.

وفي الممارسة العملية، يحتوي العديد من السوائل السحابية الصناعية على مزيج من أحجام الجسيمات، غير أن الأغشية المتطاولة القريبة من الحمراء في نطاق يتراوح بين 850 ميلاً نانوغرامياً و1050 نانو متراً كثيراً ما تُفضل لأسباب عدة:

  • Reduced scattering] – For many suspensions, the scattering cross-section decreases as the wavelength moves into the NIR, especially when particles are smaller than 1 mim.
  • Lower water absorption - Water has an absorption minimum around 900-1000 nm, which helps maximize transmission through water-based liquids.
  • Available high-power LEDs and photodiodes] — Reliable, inexpensive components are widely available at 850 nm, 940 nm, and 1050 nm.

وبالنسبة للسائل الذي ينطوي على تحديات خاصة، مثل الاضطرابات الكيميائية المظلمة أو بروتسات التخمير العالية الاضطرابات، فإن التحول إلى الأطول الموجات من طراز NIR (مثلاً، 1550 نانو متر) قد يؤدي إلى زيادة الحد من الارتداد، رغم ارتفاع استهلاك المياه وارتفاع تكاليف المكونات، حيث تستخدم بعض أجهزة الاستشعار المتقدمة ] [تمثل نسب الأشعة المفاجئة] في قياسات المميتة [[1].

وقد أظهرت البحوث الخارجية أن تحقيق أقصى قدر من الموجات وحدها يمكن أن يحسن دقة الاستشعار بنسبة تصل إلى ٦٠ في المائة في بعض تطبيقات الحمأة، وأن إجراء تحليل شامل لإطار الانتقال الطفيف للسائل المستمد من مطياف أو بيانات المؤلفات يمثل خطوة أولى أساسية قبل اختيار أجهزة الاستشعار.

إعداد الإشارات وتجهيزها

وحتى مع وجود موجة مثالية، فإن الناتج الخام من جهاز استشعار من المستوى البصري في سائل مضطرب سيتضمن خط أساس مزعج، ويمكن لتجهيز الإشارات أن يستخرج المعلومات من هذا الضوضاء دون اللجوء إلى مرشحات بطيئة ومتخلفة.

ألعاب ألعاب خفيفة و ألعاب

ويمكن أن يؤدي المقياس البسيط للتحرك أو الرش الخفيف المتسارع إلى إزالة الضوضاء الاضطرابات العالية التردد بتكلفة زيادة وقت الاستجابة، ويجب أن يكون التردد المقطع أقل من التردد السطحي المتوقع (الذي يقل في كثير من الأحيان عن 5 هز) ولكن مرتفعا بما يكفي لتتبع التغيرات البطيئة في مستوى السائل (مثل دورات التعبئة/التدفئة) وبالنسبة للعديد من الدبابات الصناعية، فإن طول الوقت الذي يصل إلى 0.5 ثانية يوفر توازنا جيدا.

إن تصفية الضمادات مفيدة عندما تشغل الضوضاء المهيمنة مجموعة ترددات محددة، في حين أن الإشارة إلى المستوى شبه ثابتة أو تتغير ببطء، مثلا إذا تسببت المضخة في حدوث طفرة دورية في 10 هز، فإن مرشحا من نوع لاش في ذلك التردد يمكن أن يزيل هذا العنصر مع الحفاظ على الإشارة عند ترددات أدنى.

التخدير الإيجابي والتقنيات الخاصة بـ (كالمان)

وقد لا تكفي مرشحات ثابتة عندما تتغير خصائص الاضطراب مع معدل التدفق، كما أن مرشحات التصحيح، مثل أقل الساحات حداً، يمكن أن تلح باستمرار في معامل التقلب لتقليل الخطأ بين مدخلات الضوضاء والإشارة المتوقعة، وبالمثل، فإن أجهزة قياس الترسب في كالمان تتفوق على ديناميات النظام وثبات الضوضاء في قياس الضوضاء، تنتج تقديرات مثالية للدولة حتى عندما تكون الضوضاء غير مكتملة.

فعلى سبيل المثال، يمكن لمرشح كالمان، في خط لملء المشروبات حيث يخلق الكربون السائل كلا من الاضطرابات والاضطرابات، أن يقلل من مستوى قراءة الفارق بأكثر من 80 في المائة مقارنة بعتبة الإشارة الخام، مما يتيح مراقبة دقيقة على مستوى الملء.

تزيين النبضات وتصويبها

ويستخدم بعض أجهزة الاستشعار البصرية النبضات الخفيفة المتحركة (مثل الأجهزة المتفجرة المرتجلة) ويربط الإشارة الواردة بالرمز المحال، وترفض هذه التقنية الضوء المكون والإشارات من أجهزة الاستشعار الأخرى، ولكنها توفر أيضا الحصانة من التغيرات العشوائية في الكمود الناجمة عن التحطيم، ومن خلال دمج النبضات المتعددة، فإن متوسط عدد الإشارات إلى المقاييس يحسن بشكل تناسبي.

تعزيزات تصميم أجهزة الاستشعار لوسائط الإعلام العدائية

إن البناء المادي لرأس الاستشعار يمكن أن يؤثر تأثيراً كبيراً على قدرته على الحفاظ على سلامة الإشارة، وقد ثبت أن عدة تعديلات في التصميم قد أدت إلى تخفيف آثار الارتباك والتفرق والاضطرابات.

التدوينات الضوئية والعلاجات السطحية

وتميل الجسيمات الصلبة في السوائل الغيوم إلى التراكم على النوافذ البصرية، مما يقلل تدريجياً من انتقال الضوء، وتخفض المعاطف الهيدروفورية أو البالية الوعائية من تكاثر الجسيمات المنقولة عن طريق المياه والنفط، على التوالي، وتيسر عملية التنظيف بواسطة أجهزة التنظيف ذات الصبغة الخافضة للدواء أو الكربون الشبيه بالألماس (DLC) مقاومة للخدش والرش المنخفض.

ألعاب نارية متعددة من النور والقنابل الحمراء

وبدلاً من زوج واحد من مسببات الانبعاثات والمسببات، يمكن للمشعر أن يدمج عدة مسارات بصرية في زوايا مختلفة، وفي وسط مضلل، يمكن أن يكون هناك طريق أكثر غموضاً من مسار آخر بسبب خدود الجسيمات المحلية، ويمكن للمجس أن يختار الطريق بأقوى الإشارات أو يجمع بين إشارات من مسارات متعددة بعد الترجيح.

التصميم الآلي

وتشمل الاعتبارات الميكانيكية استخدام زاوية ضيقة من الاختلاف بين الشعاع للحد من احتمال تحطيم الجسيمات التي تعترض الشعاع، وتنتج الأشعة الضوئية (العشرات أو الآفات الجوية) شعاعاً من القلم يُحبس حتى بعد مرور عدة أمتار من السائل المطهر، كما أن أجهزة الاستشعار المُجسّدة (مثل تلك التي تستخدم إشارة الارتداد) تعمل على ضمان استقرار الصها الجانبي.

الإدارة والتعويض الحراريان

ويمكن أن تؤدي التغييرات في درجة الحرارة إلى تغيير طيف الاستيعاب من السائل وحساسية أجهزة الاستديوهات الضوئية، وتشمل أجهزة الاستشعار العالية الجودة جهازاً لدرجات الحرارة على جهاز الكشف وتأدية تعويضات رقمية، وفي تقلبات درجات الحرارة القصوى (مثل الصهاريج الخارجية في الشتاء ضد الصيف)، فإن عدم التعويض يمكن أن يغير عتبة الكشف وتغيرات المستوى الميكولوجي، وكذلك التقلب في نافذة أجهزة الاستشعار فوق درجة الحرارة السائلة يمكن أن يحول دون حدوث أي شكل جليدي.

تركيب أفضل الممارسات على مستوى المنظومة

ولا يهم مدى تطور تصميم أجهزة الاستشعار، والتركيب غير المبالاة يمكن أن يلغي فوائده، فموقع المجس وتوجهه وعلاقته بنمط تدفق السائل أمر حاسم.

نقل إلى الحد الأدنى من سرعة التسلط

ويبعد جهاز الاستشعار عن الكتائب السائلة والمنافذ والمنافذ والحواجز المغمورة، وإذا كان الصهريج يُشغل باستمرار، فإنه ينظر في تركيب بئر ثابت (وهو أنبوب مشبع يحيط بشعاع أجهزة الاستشعار وحركة السوائل) وما زال السائل يسمح بدخوله من خلال فتحات صغيرة ولكن يخفف من حدة التحركات المفاجئة وعمود من الارتداد المهدئ نسبيا.

الخيول البصرية والحرس الخفيف

ويمكن للضوء العنيف من الشمس أو الإضاءة الداخلية أن يحجب إشارة جهاز الاستشعار، وخاصة إذا كان السائل غائماً وكان المكتشف مربحاً عالياً، حيث أن وضع درع مادي حول رأس جهاز الاستشعار لمنع الضوء الضاغط، وعندما يتصاعد خارجياً (مثلاً على الزجاج)، يستخدم التفكير الأوكائي وأجهزة التغليف الضوئية داخل المنظار.

المعايرة والصيانة المنتظمة

ومع مرور الوقت، تصبح الأسطح البصرية متسخة تدريجياً حتى مع المعاطف، فالتنظيف وإعادة التصحيح الدوريين باستخدام سائل مرجعي مع الاضطرابات المعروفة، ويمكن أن يتم معايرة الموقع عن طريق رفع جهاز الاستشعار إلى أكمام معايرة يحتوي على حل اضطرابات قياسي، كما أن بعض أجهزة الاستشعار الحديثة تقدم ]] إشارة إلى خط الأساس المسمى .

التكامل مع ضوابط العمليات

ولا ينبغي استخدام بيانات المستوى من أجهزة الاستشعار البصرية في عزلة، إذ إن الجمع بين القياس البصري وبين جهاز استشعار للضغط أو جهاز استشعار من المستوى الثاني (الأشعة فوق الصوتية أو الرادار) يوفر زيادة كبيرة في عدد الحالات، ويمكن لنظام مراقبة الإشراف أن يقوم بعمليات التحقق من إمكانية التنبؤ: فإذا كان جهاز الاستشعار البصري يشير إلى انخفاض مفاجئ في حين لا يظهر أي تغيير في قياس الضغط، فإن القراءة البصرية من المرجح أن تكون إشارة زائفة ناجمة عن وجود خلل في بيئة تتسم بالموثة.

قضايا التطبيق العملي

معالجة مياه الصرف - الكشف عن مستوى الحمأة

ومن أكثر التطبيقات المطلوبة الكشف عن الوصل بين المياه الحادة والماء السطحي المستقر في مصحح، حيث أن طبقة الدهون شديدة الاضطرابات (الاضطرابات التي تبلغ 000 1 وحدة نونتو) وتتحرك ببطء، وقد ثبت نجاح أجهزة الاستشعار الضوئية التي تستخدم جهازاً استشعارياً يبلغ 940 ملم مميتاً مع جهاز شعاع ضيق ومرشّح منخفض (الثوانيتان).

الغذاء والبوفراج - العواصف واللباب

وفي الصهاريج التي تحوز مركز عصير البرتقال أو معجون الطماطم، يكون السائل متسماً بالارتجاج والارتطام الشديد، ويقلل تذبذب اللباب إلى نافذة الاستشعار باستمرار، ويحتوي جهاز الاستشعار الذي يصف بالطلاء الرئوي، وتطهير جوي دوري (خمس دقائق) على قراءات ثابتة، ويقلل استخدام تحليل الموجة 1050 نانو متراً من الارتداد بنسبة 40 في المائة مقارنة بـ 6 دقائق.

المعالجة الكيميائية - المفاعلات ذات البوليمرات

وخلال عملية التعددية، يتغير خليط التفاعل من سائل واضح إلى معكرة غير واضحة، ويجب أن يعمل جهاز استشعار بصري عبر هذا الانتقال بأكمله، كما أن القياس المتباين المتعدد الموجات (وهو مقياس موجي يستوعبه المحور، وليس) قد استخدم لتتبع المستوى المستمر بصرف النظر عن الاضطرابات، كما يتضمن جهاز الاستشعار تصفية تكييفية تُعادل بين الظواهر الطبيعية عند إدخال تفاعلات جديدة(1).

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

إن التأمل المباشر في الصناعة 4.0 والمجسات الذكية يجلبان قدرات جديدة لقياس المستوى البصري، ويمكن الآن لأجهزة التتعلم الماكنة التي تعمل على أجهزة التجهيز المدمجة أن تصنف أنماطا ضوئية مختلفة (مثلا، الاضطرابات ضد أجهزة السائل المزودة بأجهزة الاستشعار) وأن تبدل استراتيجيات تجهيز الإشارات في الوقت الحقيقي.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الاستشعار بالألياف الضوئية الموزعة - حيث يعمل الكابل بأكمله كعنصر استشعار - يمكن أن يوفر قياسات مستوى طول الصهريج عن طريق تحليل التخلف اللاحق لرايلي، وهذه التكنولوجيا لا تزال آخذة في الظهور للاستخدام الصناعي القصير المدى، ولكنها تظهر الوعود في بيئات شديدة الاضطرابات أو التآكل حيث تفشل أجهزة الاستشعار التقليدية.

خاتمة

وتواجه أجهزة الاستشعار ذات المستوى الأمثل تدهورا حادا في الاشارات في السوائل الغيومية والمضطربة بسبب الارتداد والاستيعاب والحركة السريعة السائلة، ويتطلب التغلب على هذه التحديات اتباع نهج على مستوى النظم يشمل اختيار دقيق للموجات، وتجهيز إشارات رقمية متقدمة )تخفيضات سريعة، وتكيف، وتصفيات كالمان(، وتصميمات قوية لرؤوس الحساسية )التفاف، والمسارات المتعددة، وتركيب الحسن(

External references: Industrial Education – Optical Level Sensor Turbidity Techniques, ]ResearchGate — Adaptive Filtering for Level Sensing in Turbulent Liquids[FL:3], and Sensor